Finns det liv på en avlägsen planet? Ett sätt astronomer försöker ta reda på är genom att analysera ljuset som sprids från en planets atmosfär. En del av det ljuset, som kommer från stjärnorna den kretsar kring, har interagerat med sin atmosfär, och ger viktiga ledtrådar till de gaser den innehåller. Om gaser som syre, metan eller ozon detekteras, som skulle kunna indikera närvaron av levande organismer. Sådana gaser är kända som biosignaturer. Ett team av forskare från EPFL och Tor Vergata University of Rome har utvecklat en statistisk modell som kan hjälpa astronomer att tolka resultaten av sökandet efter dessa "tecken på liv." Deras forskning har just publicerats i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

Sedan den första exoplaneten – en planet som kretsar kring en annan stjärna än solen – upptäcktes för 25 år sedan, över 4, Ytterligare 300 har identifierats. Och listan växer fortfarande:en ny upptäcks varannan eller var tredje dag. Cirka 200 av exoplaneterna som hittills hittats är telluriska, vilket betyder att de huvudsakligen består av stenar, som jorden. Även om det inte är det enda kravet för att en planet ska kunna vara värd för liv – den måste också ha vatten och vara ett visst avstånd från sin sol – det är ett kriterium som astronomer använder för att fokusera sitt sökande.

Under de kommande åren, användningen av gasspektroskopi för att upptäcka biosignaturer i planeternas atmosfärer kommer att bli en allt viktigare del av astronomi. Många forskningsprogram pågår redan inom detta område, såsom för CHEOPS exoplanetjaktsatellit, som gick i omloppsbana i december 2019, och James-Webb optiska teleskop, planerad att lanseras i oktober 2021.

Börjar med ett okänt

Även om stora framsteg har gjorts när det gäller att upptäcka exoplanetära biosignaturer, flera frågetecken kvarstår. Vilka är konsekvenserna av denna typ av forskning? Och hur ska vi tolka resultaten? Vad händer om bara en biosignatur upptäcks på en planet? Eller tänk om inga biosignaturer upptäcks – vad ska vi dra slutsatsen? Den typen av frågor är vad EPFL-Tor Vergata-forskarna tänkte svara på med sin nya modell.

Deras arbete tar sig an problemet från en ny vinkel. Traditionellt, astronomer har letat efter liv på en annan planet baserat på vad vi vet om liv och biologisk evolution på jorden. Men med deras nya metod, forskarna började med ett okänt:hur många andra planeter i vår galax som har någon form av liv. Deras modell inkluderar faktorer som det uppskattade antalet andra stjärnor i galaxen som liknar solen och hur många telluriska planeter som kan kretsa inom ett beboeligt avstånd från dessa stjärnor. Den använder Bayesiansk statistik – särskilt väl lämpad för små provstorlekar – för att beräkna sannolikheten för liv i vår galax baserat på hur många biosignaturer som detekteras:en, flera eller inga alls.

"Intuitivt, det är vettigt att om vi hittar liv på en annan planet, det finns förmodligen många andra i galaxen med någon typ av levande organism. Men hur många?" säger Amedeo Balbi, professor i astronomi och astrofysik vid Tor Vergatas fysikavdelning. "Vår modell förvandlar det intuitiva antagandet till en statistisk beräkning, och låter oss bestämma exakt vad siffrorna betyder i termer av kvantitet och frekvens."

"Astronomer använder redan olika antaganden för att utvärdera hur trovärdigt livet är på en given planet, säger Claudio Grimaldi, en vetenskapsman vid EPFL:s Laboratory of Physics of Complex Matter (LPMC) som också är knuten till Enrico Fermi Research Center i Rom. "Ett av våra forskningsmål var alltså att utveckla en metod för att väga och jämföra dessa antaganden i ljuset av den nya data som kommer att samlas in under de kommande åren."

Sprider sig från en planet till en annan

Med tanke på det lilla antalet planeter som sannolikt kommer att undersökas inom en snar framtid, och antar att livet kommer att uppstå oberoende på vilken planet som helst, EPFL-Tor Vergata-studien fann att om bara en biosignatur upptäcks, vi kan dra slutsatsen med mer än 95 % sannolikhet att det finns över 100, 000 bebodda planeter i galaxen – fler än antalet pulsarer, som är föremål som skapas när en massiv stjärna exploderar i slutet av sin livstid. Å andra sidan, om inga biosignaturer upptäcks, vi kan inte nödvändigtvis dra slutsatsen att andra livsformer inte existerar någon annanstans i Vintergatan.

Forskarna tittade också på teorin om panspermi, som säger att istället för att växa fram självständigt på en given planet, livsformer kan föras över från en annan planet – till exempel genom att organiskt material eller mikroskopiska organismer transporteras på kometer eller sprids mellan närliggande planeter. Detta innebär att sannolikheten för liv på en planet också beror på hur långt den är från andra planeter och hur lätt olika livsformer – vars fysiska egenskaper kan vara extremt annorlunda än de vi är bekanta med – kan motstå de extrema förhållandena i rymden resa och anpassa sig till den nya planeten. Att ta hänsyn till panspermi förändrar det antagna antalet bebodda planeter på andra håll i galaxen.